Forward Prediction and Inverse Design of Nanophotonic Devices Based on Capsule Network

计算机科学 纳米光子学 卷积神经网络 人工神经网络 反向 深度学习 拓扑(电路) 电子工程 算法 人工智能 光学 数学 工程类 电气工程 物理 几何学
作者
Ruiyang Shi,Jie Huang,Shulun Li,Lingfeng Niu,Junbo Yang
出处
期刊:IEEE Photonics Journal [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:: 1-7
标识
DOI:10.1109/jphot.2022.3182050
摘要

Deep neural networks have been successfully applied to forward predicting optical response and inverse designing topological structure of nanophotonic devices. However, the existing deep learning based methods need sufficient simulated data to train the model effectively. For those devices with complex structures that containing many design variables, obtaining enough training data through numerical simulations will become extremely time-consuming. In order to reduce the requirement of large amounts of training data, we present a new deep learning approach based on the Capsule Network in this paper. By employing the proposed model, we have designed and verified a series of silicon-based wavelength demultiplexer with more than one thousand design variables. The numerical simulations validate that the trained model can both effectively predict the optical response with a fixed topological structure, and inverse design the approximate topological structure for a needed given optical response. Comparison with the classical convolutional neural networks show that our model can obtain nearly the same performance when using only 60% of the training data.
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